Ο χώρος και ο χρόνος του ΝεύτωναΟ νευτώνειος χρόνος ήταν διαχωρισμένος από τον χώρο, σα ν' αποτελούσε μια σιδηροδρομική γραμμή η οποία εκτιενόταν επ' άπειρον και προς τις δύο κατευθύνσεις της.
Stephen Hawking, Το σύμπαν σ' ένα καρυδότσουφλο.
Όταν θέλουμε να ορίσουμε ένα δυναμικό σχήμα, οι τρείς γνωστές μας χωρικές διαστάσεΙς - μήκος, πλάτος, ύψος, δεν είναι αρκετές. Ένα δυναμικό σχήμα εξελίσσεται στον χρόνο. Χρειαζόμαστε λοιπόν και μία τέταρτη, χρονική, η οποία θα περιγράφει την εξέλιξη του σχήματος στον χρόνο.
Τι είναι ο χρόνος ; Κανείς δεν μπορεί στην πραγματικότητα να το πει. Ο Charles Lamp, συγγραφέας του 19ου αιώνα, είχε γράψει : " Τίποτε δεν θεωρώ μεγαλύτερο αίνιγμα από τον χρόνο και τον χώρο. Εντούτοις, τίποτε δεν με απασχολεί λιγότερο από τον χρόνο και το χώρο, επειδή ποτέ δεν τα σκέφτομαι. " Οι περισσότεροι από μας δεν ανησυχούμε για τον χρόνο και τον χώρο τον περισσότερο καιρό, ότι κι αν σημαίνει αυτό, όμως όλοι μερικές φορές αναρωτιόμαστε τι είναι ο χρόνος, πως ξεκίνησε και που μας οδηγεί.
Το 1687, ο Ισαάκ Νεύτων παρουσίασε το πρώτο μαθηματικό μοντέλο για τον χρόνο και τον χρόνο στο έργο του " Philosophiae Naturalis Principia Matematica " ( Μαθηματικές αρχές της φυσικής φιλοσοφίας ).
Στο μοντέλο του, ο χρόνος και ο χώρος συνιστούσαν ένα υπόβαθρο όπου διαδραματιζόταν τα γεγονότα, το οποίο όμως δεν επηρεαζόταν από αυτά. Ο χώρος ήταν διαχωρισμένος από το χώρο και θεωρούνταν ως μία ανεξάρτητη γραμμή, κάτι σαν σιδηροδρομική γραμμή, η οποία εκτεινόταν επ' άπειρον και προς τις δύο κατευθύνσεις της ( πάνω ). Θεωρούνταν επίσης παντοτινός, υπό την έννοια ότι είχε υπάρξει από πάντα και θα υπήρχε για πάντα.
.
Ο χώρος και ο χρόνος του Αϊνστάιν
Η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η οποία βρίσκεται σε συμφωνία με τ' αποτελέσματα μεγάλου πλήθους πειραμάτων, καταδεικνύει ότι ο χώρος και ο χρόνος είναι άρρηκτα συνδεδεμένοι. Ο χώρος δεν μπορεί να καμπυλωθεί χωρίς να εμπλακεί σ' αυτό ο χρόνος. Άρα, ο χρόνος έχει σχήμα. Φαίνεται, ωστόσο, ότι ο χρόνος ρέει προς μία μόνο κατεύθυνση - όπως οι ατμομηχανές της εικόνας.
Stephen Hawking, Το σύμπαν σ' ένα καρυδότσουφλο
Κάτοπτρο 2001
Το 1915, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν πρότεινε ένα εντελώς νέο μαθηματικό μοντέλο για τον χώρο και τον χρόνο : τη γενική θεωρία της σχετικότητας.
Η γενική θεωρία της σχετικότητας συνδυάζει τη διάσταση του χρόνου με τις τρείς διαστάσεις του χώρου για να σχηματίσει τον επονομαζόμενο χωροχρόνο ( πάνω ). Το φαινόμενο της βαρύτητας ενσωματώνεται στη θεωρία μέσω της θεώρησης ότι η κατανομή ύλης και ενέργειας ατο Σύμπαν στρεβλώνει το χωροχρόνο με αποτέλεσμα αυτός να μην είναι επίπεδος. Τα αντικείμενα μέσα στον χωροχρόνο τείνουν να κινηθούν κατά μήκος ευθείων γραμμών, επειδή όμως αυτός είναι καμπυλωμένος, οι διαδρομές τους εμφανίζονται κυρτωμένες. Μέσα στο χωροχρόνο, τα αντικείμενα κινούνται σαν να επηρεάζονται από ένα βαρυτικό πεδίο.
Η γενική σχετικότητα επιβεβαιώθηκε με θεαματικό τρόπο το 1919, όταν μια βρετανική αποστολή στη δυτική Αφρική παρατήρησε, κατά τη διάρκεια κάποιοας έκλειψης, μια μικρή κύρτωση των φωτεινών ακτίνων που διερχόταν κοντά από τον Ήλιο. Η εν λόγω παρατήρηση αποτελούσε σαφή ένδειξη ότι ο χώρος και ο χρόνος είναι στρεβλωμένοι - ιδέα που πυροδότησε τη μεγαλύτερη αλλαγή στην αντίληψή μας για το Σύμπαν το οποίο ενοικούμε από την εποχή που ο Ευκλείδης συνέγραψε τα Στοιχεία, γύρω στο 300π. Χ.
Το τηλεσκόπιο Hooker
Το τηλεσκόπιο Hooker, με κάτοπτρο διαμέτρου 2.56 μέτρων, το οποίο βρίσκεται στο αστεροσκοπείο του Όρους Ουϊλσον, στην Καλιφόρνια
Stephen Hawking, Το σύμπαν σ' ένα καρυδότσουφλο
Κάτοπτρο 2001
Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν μετέτρεψε τον χώρο και τον χρόνο από παθητικό υπόβαθρο στο οποίο λάμβαναν χώρα τα γεγονότα σε ενεργούς μετόχους της δυναμικής του Σύμπαντος. Αυτό φώτισε ένα μεγάλο πρόβλημα, το οποίο παραμένει στην πρώτη γραμμή της φυσικής του 21ου αιώνα.
Το Σύμπαν είναι γεμάτο με ύλη, και η ύλη στρεβλώνει τον χωροχρόνο έτσι ώστε τα σώματα να πλησιάζουν το ένα το άλλο. Ο Αϊνστάιν βρήκε ότι οι λύσεις στις εξισώσεις του δεν περιέγραφαν ένα στατικό κι αμετάβλητο Σύμπαν : καταδείκνυαν αντίθετα ότι ο χρόνος, άρα και το ίδιο το Σύμπαν, έπρεπε να είχαν μια ελάχιστη ή μέγιστη τιμή, με άλλα λόγια μια αρχή ή ένα τέλος. Αντί όμως ν' απορρίψει αυτό το παντοτινό σύμπαν - για την ύπαρξη του οποίου η πεποίθηση τόσο του ιδίου όσο και των περισσότερων ήταν πολύ ισχυρή, - τροποποίησε τις εξισώσεις προσθέτοντας έναν όρο τον οποίο ονόμασε κοσμολογική σταθερά. Ο όρος αυτός στρέβλωνε το χωροχρόνο κατά την αντίθετη έννοια, έτσι ώστε τα σώματα ν' απομακρύνονται μεταξύ τους. Η απωστική δράση της κοσμολογικής σταθεράς μπορούσε να εξισορροπήσει την ελκτική δράση της ύλης, επιτρέποντας κατ' αυτόν τον τρόπο, μια στατική λύση για το Σύμπαν.
Το γεγονός αποτέλεσε μία από τις χαμένες μεγάλες ευκαιρίες της θεωρητικής φυσικής. Αν ο Αϊνστάιν είχε μείνει πιστός στις αρχικές εξισώσεις του, θα μπορούσε να είχε προβλέψει ότι το Σύμπαν θα πρέπει είτε να διαστέλλεται είτε να συστέλλεται. Όπως είχαν τα πράγματα, η προοπτική ενός χρονοεξαρτώμενου Σύμπαντος δεν λαμβανόταν σοβαρά υπόψη μέχρις ότου, κατά τη δεκαετία του 1920, πραγματοποιήθηκαν παρατηρήσεις από το διαμέτρου 2.56 μ. τηλεσκόπιο του Όρους Ουϊλσον.
Η διαστολή του σύμπαντος
Παρατηρήσεις των γαλαξιών υποδεικνύουν ότι το σύμπαν διαστέλλετσι : η απόσταση μεταξύ δύο σχεδόν οποιωνδήποτε γαλαξιών διαρκώς αυξάνει.
Stephen Hawking, Το σύμπαν σ' ένα καρυδότσουφλο
Κάτοπτρο 2001
Οι παρατηρήσεις αυτές αποκάλυψαν ότι όσο μακρύτερα βρίσκονται οι άλλοι γαλαξίες από εμάς τόσο ταχύτερα απομακρύνονται. Το Σύμπαν διαστέλλεται με τέτοιον τρόπο ώστε η απόσταση μεταξύ των δύο οποιονδήποτε γαλαξιών ν' αυξάνεται σταθερά με τον χρόνο ( πάνω ). Αυτή η ανακάλυψη ήρε την ανάγκη για μιά κοσμολογική σταθερά η οποία να επιτρέπει την ύπαρξη στατικής λύσης για το Σύμπαν. Ο Αϊνστάιν χαρακτήρισε αργότερα την κοσμολογική σταθερά ως το μεγαλύτερο σφάλμα της ζωής του. Ωστόσο, σήμερα διαφαίνεται ότι η επιλογή του μάλλον δεν ήταν εντελώς λανθασμένη : πρόσφατες παρατηρήσεις, οι οποίες όμως θ' αποτελέσουν θέμα μιας άλλης ενότητας, υποδεικνύουν ότι ενδεχομένως υπάρχει όντως μια μικρή κοσμολογική σταθερά.
Παρότι από την εποχή του Αϊνστάιν μέχρι σήμερα έχουν προστεθεί κάποια νέα στοιχεία, το μοντέλο για το χώρο και το χρόνο ουσιαστικά στηρίζεται στην γενική θεωρία της σχετικότητας. Μεγάλο πλήθος επιστημόνων αναπτύσσουν κι επαληθεύουν τις ιδέες της ριζοσπαστικής αυτής εργασίας του Αϊνστάιν. Μεταξύ αυτών κι ο Stephen Hawking, ο οποίος, στο βιβλίο του απ' όπου άντλησα τα παραπάνω στοιχεία, γράφει : " Πρόκειται για ένα επίπονο έργο και προσωπικά αισθάνομαι υπερήφανος για την δική μου μικρή συνεισφορά στο έργο αυτό."